生物法生产丙烯酸技术进展
上海华谊丙烯酸有限公司研究所 张猛 邵敬铭 张春雷
丙烯酸是高吸水树脂、涂料、水处理剂等的重要原料，目前其生产工艺主要是丙烯两步氧化法，丙烷选择性氧
化工艺正在开发当中。由于当前生产丙烯酸的主要原料来源于石化产品，在石油资源短缺和价格上涨的压力下，用
可再生的生物原料制取丙烯酸受到了广泛关注。
Straathof对生物法合成丙烯酸的代谢途径进行了综合分析，用糖作原料可能的代谢途径有以下几种（见图1）。
从图1中可以看出，糖发酵直接生成丙烯酸可行的代谢途径主要有乳酸途径、3-羟基丙酸途径和丙氨酸途径等。另
外，利用生物质资源制取的化学品生产丙烯酸也受到了重视。例如，生物发酵可产生乳酸，只需一步反应即可得到
丙烯酸。
糖 发 酵
目前各种可能的直接发酵生产丙烯酸途径中，乳酸途径和3-羟基丙酸途径相对简单，关键酶系和中间产物少，
且在很多微生物中都存在。
DMSP（β-二甲基巯基丙酸内盐，俗名硫代甜菜碱）途经是当前惟一能够直接生产丙烯酸的生物途径。DMSP可
以在海洋藻类和裂解酶的作用下转化为丙烯酸盐，再进一步转化为丙烯酸。DMSP虽然在海洋微生物和高等植物中
广泛存在，但是难以大量得到，目前主要靠从海洋环境领域获取。在一些光合细菌的3-羟基丙酸发酵途径中，存
在着丙烯酰辅酶A，它是由3-羟基丙酰辅酶A经3-羟基丙酸辅酶A脱水酶（3-hydroxypropionyl-CoA dehydratase）
催化脱水生成，并由丙烯酰辅酶A还原酶（acryloyl-CoA reductase）还原成丙酸辅酶A。而在Clostridium
propionicum细菌的丙酸发酵途径中，存在着在乳酸辅酶A的脱水酶（lactoyl-CoA dehydratase），在这种酶的催
化下，乳酸辅酶A脱水生成丙烯酰辅酶A，丙烯酰辅酶A迅速接受电子生成丙酸辅酶A使得上一步反应得以持续进
行。从理论上来讲，用其他电子受体替代丙烯酰辅酶A时有可能积累丙烯酸，但是有研究者用甲基兰作为电子受体
时，丙烯酸产量很低。
尽管丙烯酰辅酶A在很多生物代谢过程中均存在，但是由于反应驱动力小，难以积累丙烯酸。而对于生物法转
化来说，需要合适的额外电子受体，以防止丙烯酰辅酶A接受电子形成丙酸。此外，用于工业生产的菌株对于丙烯
酸的耐受能力也是需要考虑的问题。根据丙烯酸的毒性研究和与丙烯酸结构类似的富马酸及衣康酸的发酵单位体积
产量来看，细菌对于丙烯酸的耐受上限在50g/L左右。所以直接发酵法得到丙烯酸产量很低，目前主要处在研究阶
段，并未取得突破。
乳酸脱水
用生物质资源生产的化学品来制取丙烯酸的途径目前研究较多的是乳酸脱水。乳酸到丙烯酸只需一步反应，原
料易得，因此以乳酸为原料制取丙烯酸有较大潜力。
Gunter等对乳酸加热催化脱水进行了研究，但其产物中丙烯酸比例很低。在一些同类型的研究中发现，乳酸
直接脱水达到反应平衡时的丙烯酸浓度都不高，且副产物众多。化学法乳酸转化为丙烯酸的反应转化率难以提高，
若能够高选择性的将丙烯酸移出反应体系或转化为其他物质则有可能提高效率。研究中的乳酸制取丙烯酸的方法有
化学法和生物法。但是无论化学法或生物法都面临一个问题就是乳酸和丙烯酸二者很多性质相近。例如：乳酸沸点
122℃，而丙烯酸为139℃；乳酸电离常数(pKa)为3.83，丙烯酸为4.26。从沸点来看，不可能通过常规的蒸馏手
段将丙烯酸不断的转移出反应体系；从电离性质差异来讲，利用反应体系pH值环境的反应驱动力很小。
由于乳酸脱水反应驱动力不足，一些研究单位进行了大量的通过特殊手段实现高效率的转化研究。美国西北太
平洋国家实验室（PNAL）的Holladay在报告中提到，在酸催化下，乳酸可以和乙酸在70℃、150mm汞柱压力下反
应生成乙酸乳酸酯，酯的最终得率达到90%以上。酯可以水解并脱水生成丙烯酸和乙酸，整个反应中，乙酸相当于
催化剂的功能。此外，琥珀酸酐也有类似的功能，和乳酸生成酯的产率达到98%。但是由于以上途经的后续脱水反
应需要一定的条件，而且步骤复杂，因此宜寻找更为简便的方法。Sawicki 于1988年用Na2HPO4 催化剂在350℃，
乳酸脱水得到丙烯酸收率达到58%。Paparizos 在340℃下用AlPO4作为催化剂，并用NH3处理乳酸，丙烯酸产率
为43% 。乳酸脱水适宜温度为 300～400℃， McCrackin往乳酸水溶液中加入少量的磷酸盐摩尔收率55%。
一些研究者用乳酸甲酯来制取丙烯酸，并采用CaSO4 作为催化剂，得到了较好的效果。
首先乳酸甲酯可用硫酸催化在40～60℃下和无水乙酸反应得到乙酰乳酸甲酯，该物质可在500～550℃下转化
为乙酸和丙烯酸甲酯。Burns 于1935年发现了这条路径，而Fisher在550℃下利用这个反应得到了90% 的丙烯酸
甲酯，但是这个路径需要消耗大量的无水乙酸。Sriram和Dennisr对多种乳酸脱水方案进行了研究，主要有直接
脱水和生成乳酸甲酯后脱水制得丙烯酸，催化剂则有硫酸盐、磷酸盐以及金属氧化物等，但类似方法转化率最高只
有60%左右。PAUL等在美国申请的专利号为WO91/11927的专利中提到，用乳酸制取丙烯酸，也采取了先酯化再脱
水的方案。
南京工业大学和浙江工业大学都进行了乳酸酯化后脱水制取丙烯酸的研究，其中南京工业大学欧阳平凯得到了
85%的收率，浙江工业大学林东敏等采用Al2O3和MnO2作催化剂将乳酸甲酯脱水转化为丙烯酸甲酯取得了不错的收
率。
此外，还可以利用微生物中的相关代谢途经来生成丙烯酸。在Clostridium propionicum细菌发酵过程中，直
接用中间代谢物乳酸代替糖使代谢速度加快，并用适当方式阻断丙烯酰辅酶A转化为丙酰辅酶A的途径，则有可能
积累丙烯酸。目前生物转化法丙烯酸收率很低，且方案复杂，因此短期内无法和化学法竞争。
其 他
3-羟基丙酸制取丙烯酸相对容易，但是目前生物制3-羟基丙酸的生产并没有太大进展，尚未有工业化生产，
且研究收率很低。能生产3-羟基丙酸的菌株包括一些光合细菌、真菌等，工程菌株的生产目前只有卡吉尔公司有
所突破并申请了相关专利，美国suthers采取了同卡吉尔公司不同的方案也申请了专利，欧洲的德固赛也宣称取得
了进展。目前3-羟基丙酸的各种生物生产方法单位体积产量都很小，远达不到规模工业生产的要求。
从以上生物制丙烯酸的各条途径来看，直接从糖发酵制取丙烯酸的几种途径均难以实现高产；而采用生物质
作为底物转化则相对易于实现，在各条途径可用的底物中，只有乳酸实现了生物法大规模生产，技术成熟，且产量
大成本低；其余路线例如3-羟基丙酸等原料成本高，目前尚未实现生物法大规模生产。因此现阶段用乳酸制取丙
烯酸是比较有利的选择。